低成本ASK和/或FSK發射器和收發器IC是短程無線電系統的關鍵組件，設計用于在300MHz至450MHz之間的未經許可的工業、科學和醫療（ISM）頻段工作。這些短程設備 （SRD） 的應用包括遠程無鑰匙進入 （RKE）、輪胎壓力監控 （TPM）、遠程控制和安全系統。

系統設計涉及RF鏈路預算、天線設計、電池壽命和監管問題以及其他問題，通常需要在發射器的輸出功率和電流消耗之間進行權衡。Maxim的低成本發送器和收發器（如MAX1472、MAX7044、MAX1479和MAX7030/MAX7031/MAX7032）上的功率放大器（PA）具有獨特的功能，允許用戶在保持高效率的同時控制RF功率/漏電流的權衡。管理這種權衡是最大限度地延長電池壽命以滿足當今對創新節能產品的高需求的關鍵。Maxim IC無需修改即可處理這種權衡，因此設計ResourceSmart?解決方案相對容易。只需改變提供給PA的負載阻抗就可以改變PA的輸出功率和電流消耗。

本應用筆記簡要概述了功率放大器理論，并提供了仿真結果，以深入了解PA在所有Maxim LFRF發送器和收發器上的工作情況。

功率放大器概述

A、B 和 C 類放大器

A類放大器的特點是偏置點和信號電平的組合，其中器件的平均電流消耗不隨輸入信號的幅度而變化。在圖1中，可以假設M1是IDC幅度級的電流源。

圖1.A類放大器示意圖。

眾所周知，最大輸出功率的阻抗為：

最大輸出功率定義為：

因此，峰值效率為 50%。1該分析假設M1的漏極電壓可以擺動至地，同時仍保持IDC的偏置電流。在三極管區域工作將A類CMOS PA的實際效率限制在40%以下。正如該分析所暗示的那樣，必須改變A類放大器的偏置電流，以便在給定電源電壓下，針對不同的輸出功率電平保持合理的高效率。A類放大器最適合輸入信號的線性放大很重要的調制方案，因為偏置點不隨輸入信號的幅度而變化。

然而，B類和C類放大器的效率高于A類放大器，但通常輸出功率水平較低，失真更大。

所有A、B和C類CMOS放大器的共同特點是，有源器件被認為是壓控電流源，不希望在三極管區域工作。

D、E 和 F 類放大器

與應避免在三極管區域工作的A、B和C類放大器不同，D、E和F類CMOS放大器依賴于在三極管區域工作以獲得最佳效率和輸出功率。這些放大器通常被稱為“開關模式”放大器，通常用于ISM頻段發射器和收發器，因為它們在低電壓下固有的高效工作。在開關模式放大器中，輸出器件由大信號方波驅動，如圖2所示。

圖2.開關模式放大器原理圖

將輸出晶體管視為一個電阻器，該電阻在給定占空比下以工作頻率打開和關閉。如圖2所示，輸出器件中的電流可能含有非常豐富的諧波。該諧波成分取決于驅動波形的占空比和幅度、FET“導通”電阻以及呈現給PA的阻抗。在D類放大器中，輸入信號的占空比會發生變化以控制輸出功率，這一過程稱為脈寬調制（PWM）。D類放大器最常用于放大器提供的功率不斷變化的音頻應用。

在E類放大器中，輸入信號的占空比是固定的。匹配網絡設計用于在開關導通時將開關漏極處的電壓降至最低。通過在輸出器件吸收電流時最小化輸出器件兩端的電壓，可以最大限度地降低開關器件的功耗，從而最大限度地提高PA效率。

與E類放大器類似，F類放大器在匹配網絡的設計中需要特別注意諧波阻抗，以提高效率。一般來說，F類放大器的匹配電路更為復雜，因為對諧波阻抗的設計限制。

開關模式放大器

所有Maxim CMOS ISM發送器和收發器均提供漏極開路PA輸出。驅動信號的占空比在25MHz至300MHz的整個范圍內恒定為450%。用戶將設計匹配網絡，以提供所需的輸出功率電平、電流消耗和諧波性能。這允許用戶實現最小的功耗，同時僅為特定無線應用提供必要的輸出功率。

開關模式PA輸出的簡單模型如圖3所示。

圖3.開關模式放大器的簡化模型。

在此圖中，R西 南部是場效應管的導通電阻，CPA是器件寄生電容的有效和，C.PKG是封裝電容，C板是電路板電容。表1總結了Maxim ISM發送器和收發器的典型開關電阻和電容。

表 1.開關電阻和電容摘要

請注意，典型開關電阻針對 V 給出DD= 2.7V，電路板寄生電容隨布局變化很大。E類和F類放大器理論和匹配網絡設計方程在文獻中有詳細記載2, 3, 4讀者可以參考這些出版物以獲取其他背景信息?？紤]到本應用筆記的范圍，首先，必須設計匹配網絡以及PA輸出節點上的波形，以最大限度地提高PA效率就足夠了。其次，當器件兩端的電壓在閉合時較低時，效率最高。

開關模式放大器仿真

在許多低成本ISM應用中，系統設計人員在設計時間、成本或復雜性方面可能沒有太大的靈活性來優化PA匹配網絡以實現最大效率。小型（高Q值）、廉價天線在傳輸較高頻率時通常更有效，但監管問題限制了傳輸信號的諧波含量。因此，匹配網絡的諧波衰減極為重要。考慮到這些事實，我們分析了開關PA，假設輸出匹配網絡的設計將使漏極處的電壓經過高度濾波，因此是正弦的。參見圖 4。

圖4.開關模式放大器波形。

假設PA負載了RL電阻，輸出電壓擺幅可低至0.1V，則PA的效率可以表示為：

如果 VDD= 3V， R西 南部= 22Ω，RL = 400Ω，則PA效率為80%，輸出功率為10.2dBm。與理想的A類放大器相比，效率提高了約60%。當然，電壓波形、開關電阻和負載阻抗是相互依賴的，因此上述公式不能用作這些變量的所有組合的效率的準確預測指標。因此，SPICE已被用于模擬理想開關模式PA的性能。在Q值為11的并聯諧振電路上放置一個22Ω或10Ω的理想開關電阻。仿真原理圖如圖5所示;仿真結果如圖6所示。

圖5.理想開關模式放大器的仿真原理圖

圖6.理想的開關模式放大器性能與負載電阻的關系。

如圖6所示，開關模式PA最顯著的優勢之一是，通過改變提供給PA的負載，可以在很寬的范圍內改變輸出功率，同時保持出色的DC-RF效率。此外，與較高的開關電阻相比，具有較低開關電阻的開關放大器可以以更高的效率輸出更大的功率。較低開關電阻的缺點是需要較高的驅動器電流來對開關器件的寄生電容進行充電和放電。

如前所述，為了最大限度地提高開關模式放大器的效率，開關必須僅在電壓波形的最小值附近導通。以裝有簡單并聯諧振電路的開關電阻為例，可以通過最小化在工作頻率下呈現給PA的阻抗的虛部（包括器件、封裝和電路板的寄生電容）來滿足這一要求。如果網絡脫離諧振或失諧，效率會顯著下降。圖7顯示了理想開關模式放大器在Q=10和Q=5時關斷諧振時的性能。

圖7.理想的開關模式放大器性能與失諧的關系。

如圖7所示，諧振時會出現最小漏電流。這一事實可用于驗證給定網絡是否已針對特定工作頻率進行了優化。還應該注意的是，SPICE仿真假設：開關電阻可以立即打開和關閉;開關器件的寄生電容不會隨著器件的開啟和關閉而改變;并且諧振電路電感器或電容器中沒有損耗或寄生阻抗。與理想仿真相比，這些因素會降低實際開關模式放大器的性能。通常需要一種迭代方法來優化特定應用的PA匹配網絡。

總結

總之，Maxim的ISM頻段開關模式放大器的一些重要亮點和特性是：

開關模式放大器依賴于三極管區域的工作，以在低電源電壓下獲得最佳效率和輸出功率。這與A、B和C類放大器形成鮮明對比，后者應避免在三極管區域工作

所有Maxim CMOS ISM開關模式放大器均提供漏極開路PA輸出。用戶設計匹配網絡，提供所需的輸出功率電平、電流消耗和諧波性能。這種靈活性允許用戶定制RF功率/電流消耗權衡，同時保持高效率，這是在設計ResourceSmart解決方案時最大限度地延長電池壽命的關鍵。

為了最大限度地提高開關模式放大器的效率，開關必須僅在電壓波形的最小值附近導通。最小化在工作頻率下呈現給PA的阻抗虛部（包括器件、封裝和電路板的寄生電容）即可滿足這一要求。

根據特定的PA負載阻抗，諧振時可能會出現最小漏電流。這些知識對于驗證給定網絡是否已針對特定工作頻率和負載進行優化非常有用。

審核編輯：郭婷